CDIO理念下“由虛入實(shí)”的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)方法探索

楊學(xué)存　杜京義

摘要：本文針對(duì)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)過程中存在的問題，在嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)中，引入CDIO教育理念，以工程項(xiàng)目或案例為教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建基于Proteus+Keil的虛擬仿真平臺(tái)和硬件實(shí)物平臺(tái)，由“虛”入“實(shí)”，由虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)過渡到硬件實(shí)物平臺(tái)，激發(fā)了學(xué)生興趣，能真正培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力、分析問題解決問題的能力以及創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：CDIO；嵌入式系統(tǒng)；虛擬仿真平臺(tái)；硬件實(shí)物平臺(tái)；做中學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）35-0198-02

目前嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)滲透到控制、通信、自動(dòng)化等領(lǐng)域，幾乎涵蓋了所有行業(yè)的應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)課程成為電類專業(yè)、計(jì)算機(jī)類專業(yè)的核心課程。我校自動(dòng)化和測(cè)控技術(shù)與儀器等專業(yè)均開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)課程，為了提高課程的教學(xué)效果，課程組的教師們對(duì)該課程的教學(xué)過程進(jìn)行了積極有益的探索和嘗試。

一、嵌入式系統(tǒng)教學(xué)過程中存在的主要問題

嵌入式系統(tǒng)采用的是“課堂教學(xué)+課程設(shè)計(jì)”的教學(xué)模式，該教學(xué)模式存在以下幾個(gè)問題。

1.教學(xué)效果不好，學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性差。雖然在課堂教學(xué)中，在講解理論性知識(shí)和編程知識(shí)的同時(shí)會(huì)融入工程實(shí)踐實(shí)驗(yàn)，結(jié)合原理圖進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，但是課堂講解難以形象化鋪展，理論授課與實(shí)踐脫節(jié)，不利于學(xué)生的快速吸收，讓學(xué)生感到上課枯燥，導(dǎo)致無法調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性和積極性。

2.不能讓每個(gè)學(xué)生參與設(shè)計(jì)，學(xué)生動(dòng)手能力培養(yǎng)欠佳。在課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，學(xué)生開始動(dòng)手實(shí)踐，由于實(shí)驗(yàn)室資源的限制，課程設(shè)計(jì)三人一組，每個(gè)人有不同的分工，共同完成一個(gè)課題，這時(shí)會(huì)讓學(xué)生產(chǎn)生依賴思想，會(huì)使有些學(xué)生從中渾水摸魚，蒙混過關(guān)，無法讓每個(gè)學(xué)生都能親自動(dòng)手實(shí)踐，培養(yǎng)他們的動(dòng)手能力。

3.無法培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。在課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，要求學(xué)生從課程方案的設(shè)計(jì)到硬件原理的分析、設(shè)計(jì)和焊接以及軟件的設(shè)計(jì)和編程都要自主進(jìn)行。硬件電路的設(shè)計(jì)雖然在其他課程已經(jīng)學(xué)習(xí)過，但是如果之前沒有對(duì)硬件原理的正確性進(jìn)行過驗(yàn)證的話，在課程設(shè)計(jì)的三周時(shí)間內(nèi)，學(xué)生不可能做出復(fù)雜的課題，只能是綜合性的實(shí)踐課題，那么不把實(shí)際的工程項(xiàng)目引入的實(shí)踐教學(xué)中，就無法鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力。

因此，這種教學(xué)模式?jīng)]有從系統(tǒng)性、工程性的角度讓學(xué)生全面、深入地掌握嵌入式系統(tǒng)的精髓，不能很好地培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，影響了該門課程培養(yǎng)創(chuàng)新型大學(xué)生教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

二、嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革

1.教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目標(biāo)。在嵌入式系統(tǒng)課程中引入CDIO教學(xué)理念（CDIO是構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）、運(yùn)作（Operate）四個(gè)英文單詞的縮寫），采用項(xiàng)目式教學(xué)方法，通過“做中學(xué)”的方式全面提高學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力，即在嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)中，引入CDIO教育理念，以工程項(xiàng)目或案例為教學(xué)內(nèi)容，通過“做中學(xué)”的方式，讓學(xué)生變?yōu)檎J(rèn)知的主體，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，主動(dòng)建立起實(shí)踐和課程理論之間的有機(jī)聯(lián)系，提高學(xué)生的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)。主要包括以下三個(gè)方面的研究內(nèi)容，見圖1。

（1）將工程項(xiàng)目和競賽課題引入課程教學(xué)。基于CDIO的項(xiàng)目教學(xué)理念，在課程教學(xué)中，圍繞工程實(shí)踐項(xiàng)目和競賽課題，理論聯(lián)系實(shí)際，將實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容依次分為設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)K、綜合性設(shè)計(jì)和實(shí)踐模塊以及最終的工程項(xiàng)目實(shí)踐模塊。

（2）圍繞工程項(xiàng)目和競賽課題，構(gòu)建基于“Proteus+Keil”的虛擬仿真平臺(tái)。利用Proteus仿真進(jìn)行虛擬嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建虛擬仿真平臺(tái)。在Proteus仿真環(huán)境中設(shè)計(jì)原理圖，并利用Keil軟件設(shè)計(jì)程序代碼，然后進(jìn)行“Proteus+Keil”的聯(lián)合仿真，在Proteus的交互式仿真環(huán)境中進(jìn)行軟硬件聯(lián)合調(diào)試，驗(yàn)證系統(tǒng)的正確性。在課堂教學(xué)中，把電路實(shí)驗(yàn)、綜合性設(shè)計(jì)實(shí)踐、競賽課題、工程項(xiàng)目實(shí)踐等模塊在虛擬仿真平臺(tái)上進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

（3）搭建硬件實(shí)物平臺(tái)，并與虛擬仿真平臺(tái)有機(jī)結(jié)合。學(xué)生把電路實(shí)驗(yàn)、綜合性設(shè)計(jì)實(shí)踐和工程項(xiàng)目實(shí)踐模塊在虛擬仿真平臺(tái)上驗(yàn)證之后，學(xué)生自動(dòng)動(dòng)手，進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程，進(jìn)一步在硬件實(shí)物平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目實(shí)際的功能，由虛入實(shí)，縮短了課題的開發(fā)周期，激發(fā)了學(xué)生的興趣，使課程教學(xué)效果顯著提高。

通過在教學(xué)過程中構(gòu)建基于CDIO理念的“由虛入實(shí)”的嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的興趣，讓每一個(gè)學(xué)生都能完整進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和軟件編程，都能動(dòng)手實(shí)踐。解決在嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)脫節(jié)的問題，真正培養(yǎng)每個(gè)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力。

2.教學(xué)方法及主要特色。在嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中融入CDIO理念，進(jìn)行項(xiàng)目式教學(xué)，將“做中學(xué)”的理念貫穿于教學(xué)活動(dòng)中，從傳統(tǒng)的教學(xué)模式向新型授課模式轉(zhuǎn)變。以工程教育觀念為指導(dǎo)原則，通過工程實(shí)踐項(xiàng)目案例分析，向?qū)W生展示出知識(shí)應(yīng)用與工程實(shí)踐技能，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為目標(biāo)開展教學(xué)。CDIO理念下“由虛入實(shí)”的課程教學(xué)方法如圖2所示。

（1）在教學(xué)體系上，采取“1+3”教學(xué)體系，即一個(gè)總體三個(gè)模塊的模式。在課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)過程中，圍繞工程項(xiàng)目開展，從基本的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)K到綜合性設(shè)計(jì)和實(shí)踐模塊，再到最后的項(xiàng)目實(shí)踐模塊，以易到難，依次遞進(jìn)，最終都為項(xiàng)目設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

（2）在課堂教學(xué)中，理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐同時(shí)進(jìn)行。在“Proteus+Keil”的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，讓學(xué)生作為學(xué)習(xí)的主體，依次進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)K、綜合性設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)?zāi)K和項(xiàng)目實(shí)踐模塊的仿真調(diào)試。其中包括虛擬硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序的編寫與仿真。在硬件和軟件分別完成和仿真成功后，將兩者結(jié)合起來調(diào)試與仿真，檢驗(yàn)它的正確性與可行性。

（3）在實(shí)踐教學(xué)中，由虛入實(shí)，將三個(gè)模塊在硬件實(shí)物平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)K、綜合性設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)?zāi)K和項(xiàng)目實(shí)踐模塊在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行正確性驗(yàn)證之后，在實(shí)踐教學(xué)中，學(xué)生自己動(dòng)手搭建電路，在硬件實(shí)物平臺(tái)上進(jìn)行軟硬件的聯(lián)合調(diào)試，實(shí)現(xiàn)各模塊的實(shí)際功能。該方法的特色之處在于：①圍繞工程項(xiàng)目和課題競賽，將實(shí)踐（硬件設(shè)計(jì)和軟件編程）引入課堂教學(xué)。②由虛入實(shí)的教學(xué)模式，能讓每個(gè)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐。

三、教學(xué)效果

在課程教學(xué)中，通過虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以學(xué)生作為主體，完成設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)K、綜合性設(shè)計(jì)與實(shí)踐模塊、項(xiàng)目實(shí)踐模塊的Proteus仿真與調(diào)試，完成可行性和正確性驗(yàn)證。學(xué)生知識(shí)點(diǎn)理解和記憶透徹，學(xué)習(xí)興趣提高，學(xué)習(xí)效率提高。在硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，學(xué)生進(jìn)行硬件電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試、軟件程序代碼的編寫與仿真以及軟硬件的聯(lián)合調(diào)試，鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)：

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